Bacteriile își croiesc drum prin medii aglomerate folosind ciocnirile, arată experimentele cu micro-labirinturi
Unele bacterii pot simți când se lovesc unele de altele și folosesc aceste interacțiuni pentru a-și modela modul în care grupul se organizează și se deplasează. Descoperirea dezvăluie o modalitate nouă prin care microbii își explorează mediul, bazându-se pe feedback fizic în loc de semnale chimice.
„Fie că vorbim despre bancuri de pești, stoluri de păsări sau mulțimi umane, deplasarea în grup poate oferi siguranță și eficiență, dar poate duce și la congestie și blocaje”, spune Alexandre Persat, profesor la EPFL. „Modul în care indivizii echilibrează mișcarea coordonată cu nevoia de a se desprinde și de a explora pe cont propriu rămâne o întrebare centrală în toate sistemele vii.”
Chiar și bacteriile, printre cei mai simpli vehiculatori colectivi, pot oferi indicii despre această provocare. Bacteriile trăiesc și se mișcă adesea în comunități dense, unde interacțiunile fizice pot face celulele vecine să se alinieze și să se deplaseze împreună în fluxuri coordonate. Aceasta creează o problemă majoră: indivizii pot rămâne blocați în interiorul grupului, ceea ce le îngreunează dispersarea și explorarea unui spațiu nou. Astfel, bacteriile nu pot găsi nutrienți noi și nu pot scăpa din medii aglomerate și complexe, cum ar fi solul sau țesuturile gazdă.
Laboratorul de Mecanică Microbiană al lui Persat, împreună cu Laboratorul de Mecanica Materiei Moale și Biologice al lui Sangwoo Kim, tot de la EPFL, a descoperit că bacterium Pseudomonas aeruginosa rezolvă această problemă printr-un mecanism senzorial simplu, care le permite bacteriilor să-și moduleze activ organizarea colectivă prin atingere. Studiul este publicat în Nature Microbiology.
„Pe măsură ce se deplasează pe suprafețe, aceste bacterii simt când se lovesc de vecini”, explică Laure Le Blanc, primul autor al lucrării. „Ca răspuns, își inversează direcția în câteva secunde. Această abilitate permite populației să perturbe organizarea în mulțimi, rămânând în același timp organizată acolo unde este nevoie, cum ar fi la marginea unei colonii în creștere.”
Cercetătorii au combinat microscopia live, urmărirea celulelor individuale și simulările computerizate pentru a înțelege cum influențează ciocnirile comportamentul de grup. Au comparat bacterii de tip sălbatic cu mutanți care nu simt ciocnirile. De asemenea, au construit micro-labirinturi pentru a testa modul în care aceste tulpini diferite navighează în spații confinate, pline de obstacole. Urmărind bacteriile individuale și analizând mișcarea generală a grupului, au putut observa exact cum ciocnirile modelează atât comportamentele individuale, cât și cele de grup în timp real.
Ciocnirile ajută bacteriile să navigheze
Oamenii de știință au testat o tulpină mutantă de P. aeruginosa. Acest mutant nu are o genă esențială pentru modelul de motilitate al bacteriei: se deplasează mereu înainte, chiar și după ce se ciocnește de alte celule și de limite. Au descoperit că bacteriile mutante călătoreau mai departe atunci când erau singure, dar rămâneau rapid blocate în grupuri dense când se deplasau împreună.
În contrast, bacteriile de tip sălbatic — care au toate genele — foloseau ciocnirile cu alte bacterii ca informații despre mediul înconjurător. În zonele aglomerate, ciocnirile frecvente determinau inversări de direcție care mențineau grupul dezordonat și mobil. La marginea coloniei, unde celulele se confruntau cu spațiu deschis, acestea deveneau puternic aliniate și se deplasau împreună către teritoriu neexplorat. Această comutare a ajutat bacteriile de tip sălbatic să navigheze atât în medii aglomerate, cât și în medii structurate, asemănătoare labirinturilor.
În labirint, doar 1% dintre bacteriile mutante au ajuns la ieșire în decurs de patru ore. În schimb, celulele de tip sălbatic au explorat în medie 92% din labirint, iar 20% dintre celule au ajuns în cele din urmă la ieșire.
Această descoperire schimbă modul în care înțelegem navigarea bacteriană, arătând că ordinea colectivă nu este doar un rezultat pasiv al fizicii, ci o stare reglată activ. Bacteriile convertesc interacțiunile fizice în informații senzoriale pentru a controla comportamentul de grup. Acest mecanism poate ajuta P. aeruginosa să se răspândească prin țesuturile gazdă și să contribuie la formarea biofilmului în timpul infecțiilor umane. Descoperirea ar putea inspira, de asemenea, noi modele pentru roiurile de roboți care trebuie să navigheze în medii aglomerate sau necunoscute fără a rămâne blocați.
